專利名稱：螺旋彈簧式人工肌肉的柔性關節的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種螺旋彈簧式人工肌肉的柔性關節，此關節是彎曲關節，可用作機器人、機械手和殘疾人假肢的各類關節；其特征既類似于人體的手指、肘、膝等部位的單方向彎曲關節，又可成為需要保持平衡和緩沖性較好的腳腕、以及肩部的多方向彎曲關節，作為自動化設備的執行機構，屬于機器人、機械手應用技術領域。
背景技術：
本發明作出以前，在已有技術中，對于彎曲關節來說一般以各類電機或液氣壓為動力，采用各種機械結構與液氣壓缸、馬達等的組合形式作為執行機構；上述方式是剛性結構，緩沖性差，對控制的精度要求高，且結構復雜，體積較大，制造成本高。尤其是現有機械手、機器人的關節不具有多方向彎曲的特征，不能體現動物的關節柔性、靈活性和多關節的協調性的特點。
發明內容
本發明的目的在于克服上述不足之處，本發明彎曲關節采用彈性波紋管受流體壓力后軸向膨脹作為人工肌肉動力，由一個或多個人工肌肉組件驅動柔性關節；采用板鉸鏈、球狀萬向節作為單、多自由度柔性關節的骨架；靠螺旋彈簧的回彈作用的回彈作用，彎曲變形的關節回復伸直。螺旋彈簧和封閉的可壓縮彈性波紋管(類似空氣彈簧)有極好的緩沖性，彈性波紋管壁內夾有加強作用的經、緯絲，彈性波紋管的變形對流體壓力的變化敏感，其彈性伸長、彎曲的變形力很小(可忽略不計)，要求流體流量小，耗能小，從而使柔性關節動作靈活。
本發明的主要解決方案是這樣實現的(1)彈性波紋管總成彈性波紋管6的其壁內夾有環形緯絲14和經絲13，類似液壓油輸送橡膠軟管結構，彈性波紋管總成由彈性波紋管6、扣緊外殼5、法蘭內套4、連接螺母3構成。
(2)人工肌肉組件彈性波紋管總成的連接螺母3旋轉，經密封墊2，將彈性波紋管6從兩端密封地安裝在頭座1和尾座10的螺紋上，形成封閉的關節空腔；流體通過管接頭12進入關節空腔，管接頭12與尾座10間有密封圈11密封；頭座1和尾座10上的削扁處各有兩個相同的螺紋孔，作為人工肌肉組件與其他零件裝配聯接螺紋孔；螺旋彈簧7兩端伸出的彈簧絲由壓板8壓緊，壓板8由兩個螺釘固定在墊塊9上。
(3)板鉸鏈的柔性關節板鉸鏈15的兩端由內六角螺栓旋緊在人工肌肉組件的頭座1和尾座10削扁處的螺紋孔上，形成板鉸鏈彎曲柔性關節。
(4)球狀萬向節的柔性關節過渡板17由兩個內六角螺栓擰在人工肌肉組件的頭座1或尾座10削扁處的螺紋孔上，過渡板17的另一端由兩個內六角螺栓固定在正多邊形底座16上；球狀萬向節18的兩端由螺母與正多邊形底座16緊固，且球狀萬向節18兩端軸頸與正多邊形底座16中間孔的配合是小間隙、過渡或小過盈配合。
本發明與已有技術相比具有以下優點本發明螺旋彈簧式人工肌肉的柔性關節采用板鉸鏈、球狀萬向節作為單、多自由度柔性關節的骨架，彈性波紋管彈性體受流體壓力后軸向膨脹作為人工肌肉動力，可以象人或動物的關節一樣靈活彎曲。靠螺旋彈簧的回彈作用，也可靠封閉的可壓縮彈性波紋管(類似空氣彈簧)的回彈作用，彎曲變形的關節回復伸直。彎曲和回復伸直的速度由進、出節流閥調節。本發明關節要求流體流量小，較小的壓力就產生較大的彎曲變形，耗能小；且彎曲變形量與流體壓強的關系，易建立數學模型，動態控制精度高，作為機械手指等多關節使用場合，多關節的協調性好。
圖1為本發明的人工肌肉組件的A-A剖視2為本發明的人工肌肉組件主剖視3為本發明的人工肌肉組件的B處局部放大圖4為本發明的板鉸鏈的關節的C-C剖視5為本發明的板鉸鏈的關節的主剖視6為本發明的板鉸鏈零件7為本發明的球狀萬向節關節的D-D剖視8為本發明的球狀萬向節關節的主剖視9為本發明人工肌肉組件的螺旋彈簧零件的主視10為本發明人工肌肉組件的螺旋彈簧零件的左視圖
具體實施例方式下面本發明將結合附圖對各種方式的實施作進一步描述(1)彈性波紋管總成如附圖1～3所示，彈性波紋管6的單節彈性波紋管的縱截面形狀為“V”、“U”或“Ω”等形狀，且其壁內含有環形緯絲14和柔性的繞環形緯絲14的經絲13；類似液壓油輸送橡膠軟管結構，彈性波紋管總成由扣緊外殼5將彈性波紋管6滾壓或模壓密封固定在法蘭內套4的環槽中，在扣緊外殼5上空套了連接螺母3，上述結構形成了彈性波紋管總成。
(2)人工肌肉組件如附圖1～3所示，彈性波紋管總成的連接螺母3旋轉，帶動法蘭內套4壓緊密封墊2，將彈性波紋管6從兩端密封地安裝在頭座1和尾座10的螺紋上，形成封閉的彎曲關節的流體膨脹空腔；流體通過管接頭12進入關節空腔，管接頭12與尾座10間有密封圈11密封；尾座10比頭座1多了一個安裝管接頭12的螺紋孔，頭座1和尾座10上的削扁處各有兩個相同的螺紋孔，作為人工肌肉組件與其他零件裝配聯接螺紋孔；螺旋彈簧7兩端伸出的彈簧絲由壓板8壓緊，壓板8由兩個螺釘固定在墊塊9上；由上述零件構成了一個獨立的流體驅動的人工肌肉組件。
螺旋彈簧7的基本結構如附圖9、10所示，其整體形狀是圓柱形，亦可以是圓錐臺、由兩個圓錐臺組合成的中間直徑大或兩端直徑大的形狀、及中間直徑大或兩端直徑大的鼓形等。
(3)板鉸鏈的柔性關節如附圖4、5所示，板鉸鏈15的兩端由內六角螺栓旋緊在人工肌肉組件的頭座1和尾座10削扁處的螺紋孔上，形成板鉸鏈彎曲柔性關節。板鉸鏈15的結構如附圖6所示(4)球狀萬向節的柔性關節如附圖7、8所示，過渡板17由兩個內六角螺栓擰在人工肌肉組件頭座1或尾座10削扁處的螺紋孔上，過渡板17的另一端固定在正多邊形底座16上；球狀萬向節18的兩端由螺母與正多邊形底座16緊固，且球狀萬向節18兩端軸頸與正多邊形底座16中間孔的配合是小間隙、過渡或小過盈配合。
正多邊形底座16的邊數為3～18個，相應的人工肌肉組件亦有3～18個；對多方向彎曲的柔性關節，單個人工肌肉組件由流體驅動，或多個人工肌肉組件由流體同時驅動，可以有不同大小的彎曲力和不同的彎曲方向。
下面為本發明的工作原理及工作過程每個人工肌肉組件的流體通路有軟管，方向控制閥，進、出口可調節流閥、蓄能器(或儲氣罐)和壓力變送器等。壓力變送器主要用來檢測流體的壓力，把這種壓力信號轉變成標準的電壓或電流電信號，以便控制使用。蓄能器或儲氣罐的作用是保證工作中液、氣壓力源的壓力穩定。靜態控制或動態精度要求不高時，控制系統采用壓力變送器傳遞壓力信號，在計算機中比較根據模型數值計算表或實驗參數擬合曲線的壓力參數而預先設定的值，通斷方向控制電磁閥線圈。動態控制精度高時，需要在關節上安裝角度和力覺傳感器，采用閉環方式進行實時控制。
權利要求
1.一種螺旋彈簧式人工肌肉的柔性關節，其流體驅動人工肌肉的特征是彈性波紋管總成由彈性波紋管(6)、扣緊外殼(5)、法蘭內套(4)、連接螺母(3)構成；彈性波紋管總成的連接螺母(3)旋轉，經密封墊(2)，將彈性波紋管(6)從兩端密封地安裝在頭座(1)和尾座(10)的螺紋上，形成封閉的關節空腔；流體通過管接頭(12)進入關節空腔，管接頭(12)與尾座(10)間有密封圈(11)密封；頭座(1)和尾座(10)上的削扁處各有兩個相同的螺紋孔，作為人工肌肉組件與其他零件裝配聯接孔；螺旋彈簧(7)兩端伸出的彈簧絲由壓板(8)壓緊，壓板(8)由兩個螺釘固定在墊塊(9)上。
2.一種螺旋彈簧式人工肌肉的柔性關節，應用人工肌肉的板鉸鏈關節的特征是板鉸鏈(15)的兩端由內六角螺栓旋緊在人工肌肉組件的頭座(1)和尾座(10)削扁處的螺紋孔上，形成板鉸鏈彎曲柔性關節。
3.一種螺旋彈簧式人工肌肉的柔性關節，應用人工肌肉的球狀萬向節柔性關節的特征是過渡板(17)由兩個內六角螺栓擰在人工肌肉組件的頭座(1)或尾座(10)削扁處的螺紋孔上，過渡板(17)的另一端由兩個內六角螺栓固定在正多邊形底座(16)上；球狀萬向節(18)的兩端由螺母與正多邊形底座(16)緊固，且球狀萬向節(18)兩端軸頸與正多邊形底座(16)中間孔的配合是小間隙、過渡或小過盈配合。
4.根據權利要求1所述的流體驅動人工肌肉，其特征在于彈性波紋管(6)的單節彈性波紋管的縱截面形狀為“V”、“U”或“Ω”等形狀，且其壁內含有環形緯絲(14)和柔性的繞環形緯絲(14)的經絲(13)。
5.根據權利要求1所述的流體驅動人工肌肉，其特征在于螺旋彈簧(7)的整體形狀是圓柱形，亦可以是圓錐臺、由兩個圓錐臺組合成的中間直徑大或兩端直徑大的形狀、及中間直徑大或兩端直徑大的鼓形等。
全文摘要
本發明涉及一種螺旋彈簧式人工肌肉的柔性關節，此彎曲關節既類似于人體的手指、肘、膝等部位的單方向彎曲關節，又可成為需要保持平衡和緩沖性較好的腳腕、以及肩部的多方向彎曲關節，作為自動化設備的執行機構，屬于機器人、機械手應用技術領域。采用彈性波紋管受流體壓力后軸向膨脹作為肌肉動力，由一個或多個人工肌肉組件構成柔性關節；采用板鉸鏈、球狀萬向節作為柔性關節的骨架；靠螺旋彈簧的回彈作用的回彈作用，彎曲變形的關節回復伸直。螺旋彈簧和封閉的可壓縮彈性波紋管有極好的緩沖性，彈性波紋管壁內夾有加強作用的經、緯絲，彈性波紋管的變形對流體壓力的變化敏感，要求流體流量小，耗能小，從而使柔性關節動作靈活。
文檔編號A61F2/66GK1666720SQ20051003874
公開日2005年9月14日 申請日期2005年4月4日 優先權日2005年4月4日
發明者章軍, 須文波, 李克修, 呂兵 申請人:江南大學